Все что вы хотели знать про ATM. АТМ УНИВЕРСАЛЬНАЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ.

Несмотря на то, что технология АТМ своим происхождением  связана с созданием B-ISDN, “АТМ - больше, чем основа только для B-ISDN” (именно так был озаглавлен один из докладов на XV Международном симпозиуме по коммутации, состоявшемся в апреле 1995 г. в г. Берлине).

Сеть АТМ способна не только быть основой для организации самых разнообразных служб в рамках B-ISDN, предназначенных для передачи данных, изображений и т.д. Она также может служить транспортной средой для телефонной сети, узкополосной ISDN, связи городских сетей передачи данных (MAN) и др. (рис. 1).

Рис. 1. Логическая схема возможного использования сети АТМ

Использования технологии АТМ позволяет строить гибкие сети, эффективно использующие пропускную способность трактов передачи за счет их статистического мультиплексирования.

Универсальность АТМ состоит еще и  в том, что это первая технология, которая может использоваться в сетях любого масштаба: локальных (LAN), городских (MAN) и территориальных (WAN).

АРХИТЕКТУРА СЕТИ АТМ

Упрощенная архитектура сети АТМ представлена на рис. 7. Она состоит из связанных между собой АТМ коммутаторов. Находящееся за пределами сети оборудование пользователя взаимодействует с коммутаторами через интерфейс пользователь-сеть (UNI - User-Network Interface). Для взаимодействия коммутаторов между собой служит интерфейс сетевого узла (NNI - Network Node Interface).

МСЭ-Т стандартизировал в рекомендации I.432 два типа интерфейса UNI: на скоростях 155 и 622 Мбит/с (это скорости 1-го и 4-го уровней SDH). Подготовлены стандарты по использованию технологии АТМ на первичной скорости европейской иерархии 2 Мбит/с.

Иерархическая модель сети АТМ, показывающая взаимодействие трех нижних уровней B-ISDN, представлена на рис. 2. Рассмотрим функции каждого из этих уровней.

Уровень адаптации АТМ (AAL - ATM Adaptation Layer) осуществляет преобразование пользовательской информации в информационные поля ячеек и наоборот. Именно наличие AAL придают АТМ присущую ей способность переносить разнообразную пользовательскую информацию в стандартных ячейках. Стандартизировано несколько типов уровня адаптации, соответствующие различным классам обслуживания и предназначенные для преобразования разных видов информации. Их характеристики описаны ниже. Следует подчеркнуть, что процедуры ААL реализуются вне пределов сети АТМ в оконечном оборудовании пользователя (рис. 2). Уровень адаптации может использовать для своих нужд до 4 байт в пределах 48-байтного информационного поля ячейки, оставляя таким образом непосредственно для полезной информации пользователей 44 байта.

AAL делится, в свою очередь, на два подуровня: подуровень конвергенции (CS - Convergence Sublayer)  и подуровень разборки и сборки (SAR - Segmentation And Reassembly).

Рис. 2. Иерархическая модель сети АТМ

Верхний из них - CS - получает информацию от пользователя и разбивает ее на протокольные единицы данных этого подуровня, длина которых определяется конкретным типом уровня адаптации. Далее к ним добавляются заголовок и окончание, содержащие служебную информацию о виде передаваемого трафика и размере протокольной единицы, а также позволяющие осуществлять контроль и исправление ошибок на приеме. При необходимости этот подуровень обеспечивает также синхронизацию.

Подуровень разборки и сборки принимает полученные протокольные единицы CS и разбивает их на фрагменты, длина которых от 44 до 48 байтов. К ним могут добавляться заголовок (1-2 байта), идентифицирующий тип данного фрагмента, и окончание (до 2 байт), содержащее контрольную сумму.  В результате получается  48-байтная последовательность, образующая информационное поле ячейки АТМ.

Описанный выше алгоритм варьируется в зависимости от типа уровня адаптации. На приеме все процедуры выполняются в обратной последовательности.

Уровень АТМ добавляет к полученным от подуровня SAR 48-байтным последовательностям 5-байтовые заголовки, формируя таким образом ячейки АТМ, передаваемые затем на физический уровень. К функциям уровня АТМ относятся также: управление входным потоком на интерфейсе пользователь-сеть; мультиплексирование ячеек, принадлежащим различным виртуальным каналам и трактам, в единый поток; преобразование идентификаторов виртуальных каналов в узлах коммутации.

На приемной стороне уровень АТМ осуществляет демультиплексирование потока ячеек и удаление заголовков.

Физический уровень также состоит из двух подуровней: подуровень конвергенции передачи (TC - Transmission Convergence) и подуровень, зависящий от физической среды (PMD - Physical Medium Dependent). Подуровень ТС осуществляет согласование потока ячеек с используемой системой передачи (например, упаковывает ячейки АТМ в контейнеры SDH). Подуровень PMD ответственен за передачу и прием битов, передаваемых в конкретной физической среде (оптическое волокно, коаксиальный кабель).

Вся иерархия уровней приведена на рис. 3.

Рис. 3. Иерархия уровней

ФОРМАТЫ ЯЧЕЕК

Как уже указывалось выше, ячейки АТМ имеют фиксированную длину 53 байта, из которых первые 5 байта - заголовок, а остальные 48 байт - информационное поле (рис. 10). Структура заголовка несколько различается на интерфейсах пользователь-сеть (UNI) и сетевого узла (NNI).

На интерфейсе UNI первые 4 бита отводятся для управления потоком, поступающим от пользователя.

Следующие 24 бита составляет поле маршрутизации, содержащие 8-битный идентификатор виртуального тракта (VPI - Virtual Path Identifier) и 16-битный идентификатор виртуального канала (VCI - Virtual Channel Identifier).

Следующие 3 бита занимают указатель типа нагрузки, содержащейся в информационном поле данной ячейки. Значения этого поля от 0 до 3 указывают на информацию пользователя, значения 4 и 5 - управляющую информацию, а значение 6 и 7 пока не используются и зарезервированы на будущее.

Далее расположено 1-битное поле приоритета потери ячейки, использующиеся для управления потоком ячеек. Оно устанавливается равным 1 для тех ячеек, которые при перегрузках в сети могут быть отброшены в первую очередь.

Последний (пятый) байт заголовка отведен для контроля ошибок заголовка с использованием циклического избыточного кода. С его помощью можно исправить единичную или обнаружить многократную ошибку в первых четырех байтах заголовка.

Заголовок ячейки на интерфейсе сетевого узла NNI отличается от описанного выше заголовка ячейки на интерфейсе UNI только тем, что в нем исключается поле управления потоком, а первые четыре бита отведены для идентификатора виртуального тракта, который таким образом занимает 12 бит. Такое перераспределение позволяет увеличить число возможных виртуальных каналов.

ВИРТУАЛЬНЫЕ КАНАЛЫ И ТРАКТЫ И ИХ КОММУТАЦИЯ

Как уже отмечалось, сети АТМ являются ориентированными на соединения. Это означает, что прежде чем между пользователями будет передаваться какая-либо информация, между ними должно быть установлено виртуальное соединение.

В отличие от каналов при синхронном временном разделении, определяющихся определенной временной позицией (канальным интервалом) в цикле (рис. 4), виртуальные каналы при АТМ выделяются логически: они образуются ячейками, имеющими в заголовке одни и те же комбинации значений идентификаторов виртуального тракта и виртуального канала (VPI и VCI). Виртуальные каналы всегда однонаправленные, поэтому для передачи между теми же оконечными точками информации в обратном направлении должны использоваться уже другие виртуальные каналы.

Объединение группы виртуальных каналов, следующих на каком-то участке сети в общем направлении, в виртуальный тракт позволяет коммутатору оперировать с такой группой как единым целым, ускоряя прохождение ячеек через него.

Физический тракт передачи может содержать несколько виртуальных трактов и каналов (рис. 4). Конфигурация виртуальных соединений не связана с физической структурой сети, и логическая топология сети может быть практически любой.

Рис.4. Соотношение между виртуальными каналами (VC), виртуальными трактами (VP) и физическим трактом передачи

Коммутатор АТМ, исходя из номера входного порта, на который подступила ячейка, и содержащихся в ее заголовке значений VPI и VCI, определяет по таблице перевода номер выходного порта и новые значения VPI и VCI, после чего направляет ячейку на требуемую выходную линию с соответствующими новыми идентификаторами. Схема коммутации виртуальных каналов и трактов показана на рис. 5. В крупных узлах может быть целесообразно применение коммутаторов, осуществляющих только коммутацию виртуальных трактов. Их называют кроссовыми соединителями (кросс-коннекторами) АТМ.

Различают постоянные и коммутируемые виртуальные соединения. Постоянные соединения организуются на достаточно длительный срок с помощью некоторого внешнего механизма управления сетью человеком-оператором. Такие соединения могут устанавливаться, например, между узлами какой-либо сети, организованной на базе сети АТМ. Они являются аналогами традиционных арендованных каналов и трактов.

Коммутируемые виртуальные соединения устанавливаются автоматически посредством системы сигнализации по требованию пользователей на время сеанса связи.

Рис. 5. Коммутация виртуальных каналов и трактов

КЛАССЫ ОБСЛУЖИВАНИЯ И КАТЕГОРИИ УСЛУГ АТМ

Для того, чтобы минимизировать число возможных протоколов уровня адаптации, в рекомендации I.350 были определены четыре класса обслуживания B-ISDN. В основу их классификации положены следующие три признака:

• требуется ли синхронизация между источником и получателем информации;
• является ли скорость передачи постоянной или переменной;
• ориентированы ли услуги на установление соединения или нет (следует обратить внимание на то, что хотя сама по себе сеть АТМ работает в режиме с установлением соединений, она может предоставлять услуги, не требующие установления соединения).

Характеристики всех классов, обозначения соответствующих типов уровня адаптации и примеры их использования приведены на рис. 6.

Рис. 6. Классы обслуживания и типы уровня адаптации в АТМ

Класс А (соответствующий тип уровня адаптации AAL1) применяется для передачи трафика, требующего обеспечения фиксированной и небольшой задержки при передаче. Это, например, речь, преобразованная в цифровой поток 64 кбит/с посредством ИКМ. При помощи AAL1 осуществляется эмуляция цифрового канала, дающая пользователю полное впечатление, что он имеет в своем распоряжении сквозной канал (например, со скоростью 64 кбит/с или 2048 кбит/с).

Класс В (уровень AAL2) отличается от предыдущего тем, что предназначен для работы с переменной скоростью передачи. Пример использования  передача компрессированного видеосигнала. Протоколы AAL2 еще находятся в стадии разработки.

Классы С и D (уровни AAL3 и AAL4) вначале рассматривались раздельно, но затем из-за схожести функций их решено было объединить и обозначать AAL3/4. Этот уровень предназначен для обслуживания коротких интенсивных потоков данных с нерегулярными интервалами между периодами активности (например, пересылка файлов между ЭВМ, связь локальных сетей).

Уровень AAL5 разработан как упрощенный вариант AAL3/4 для передачи данных. Его обозначают также SEAL (Simple and Efficient Adaptation Layer), т.е. “простой и эффективный уровень адаптации”. Он предусматривает уменьшение объема служебной информации в ячейке, перекладывая на пользователя контроль ошибок и защиту от перемешивания ячеек различных пакетов в одном соединении. За счет этого достигается упрощение алгоритмов и повышается эффективность передачи полезной информации. Именно этот тип уровня является на сегодняшний день наиболее популярным и используется для создания корпоративных компьютерных сетей.

Помимо МСЭ-Т важную роль в стандартизации АТМ играет Форум АТМ, объединяющий более 750 членов, среди которых фирмы-производители оборудования, телекоммуникационные компании, крупные государственные и научные организации. В своих документах Форум АТМ ввел более детальную классификацию услуг АТМ с точки зрения скорости передачи битов. Помимо постоянной скорости передачи (CBR - Constant Bit Rate) и переменной скорости передачи (VBR - Variable Bit Rate) были определены также доступная скорость передачи (ABR - Available Bit Rate) и неспецифицированная скорость передачи (UBR - Unspecified Bit Rate).

Услуги категории CBR обеспечиваются уровнем адаптации типа AAL1, а категории VBR - типов AAL2, AAL3/4 и AAL5 (рис.6). Кроме того уровень адаптации типов AAL3/4 и AAL5 может предоставлять услуги категорий ABR и UBR.

Категория CBR является самой простой и предназначена для трафика, порождающего ячейки с постоянной интенсивностью.

Категория VBR предназначена для неравномерного трафика, характеризующегося чередованием периодов активности и пауз между ними. При этом максимальная интенсивность поступления ячеек в периоды активности не должна превышать пикового значения PCR (Peak Cell Rate), а средняя - равняться так называемой поддерживаемой интенсивности SCR (Sustainable Cell Rate). Значения параметров PCR и SPR обуславливаются при установлении соединения.

Категория ABR введена только недавно (в конце 1995 г.) и имеет все основания стать весьма важной, т.к. она может применяться для множества приложений, связанных с передачей данных и позволяет в полной мере использовать гибкость полосы пропускания сетей АТМ для эффективной загрузки. При установлении соединений категории ABR пользователь должен задать максимальную (PCR - Peak Cell Rate) и минимальную (MCR - Minimum Cell Rate) интенсивности поступления ячеек. После этого сеть гарантирует выделение полосы пропускания не менее МСR, а источник обязуется посылать ячейки с интенсивностью не более PCR. При этом сеть может динамически изменять полосу пропускания, выделенную соединению. При перегрузке некоторого сетевого узла сеть сообщает источнику трафика о необходимости снижения интенсивности поступления ячеек. После устранения перегрузки эта интенсивность вновь может быть увеличена. Механизм управления потоком основан на использовании специальных ячеек управления ресурсами, периодически передаваемых в потоке обычных пользовательских ячеек.

Категория UBR позволяет довести использование полосы пропускания до 100%. Являясь дешевой услугой, использующей статистические особенности трафика, она не предусматривает установление какого-то ни было соглашения на передачу трафика и не гарантирует никаких параметров качества обслуживания. Поэтому эта категория не представляет большого интереса для сетей общего пользования и скорее всего найдет ограниченное применение для передачи данных в корпоративных сетях.

Для каждой из категорий услуг кроме UBR при установлении соединения должны быть заданы соответствующие параметры трафика (такие, как например, упомянутые выше минимальная, поддерживаемая и максимальная интенсивности поступления ячеек - MCR, SCR и PCR) и требования к качеству обслуживания, характеризующемуся такими параметрами, как вероятность потери ячейки, средняя и максимальная задержка ячеек, дисперсия задержки ячеек и др.

Вызов принимается к обслуживанию и соединение устанавливается только в том случае, если сеть может обеспечить выполнение заданных требований к качеству обслуживания. Это влечет за собой необходимость применения весьма сложных методов управления потоком как на этапе принятия решения о приеме вызова к обслуживанию, так и в процессе поддержания соединения. При этом должны решаться две противоречивые задачи: с одной стороны нужно обеспечить эффективное использование сетевых ресурсов, с другой - высокое качество обслуживания. В настоящее время ведется активная работа по поиску, исследованию и оптимизации подобных методов управления, однако, здесь еще далеко до окончательных решений. Сложность решения указанных задач вызывает даже скептицизм некоторых специалистов, сомневающихся в том, возможно ли вообще создать реальные широкомасштабные и эффективно работающие сети АТМ.